特厚煤層巷道頂板破壞特征的數值模擬研究

祁虎根，宋純良

（1.霍州煤電安監局，山西 霍州 031400；2.圣佛村職教中心，山西 霍州 031400）

隨著我國煤機裝備和開采工藝的不斷發展，單層可采煤層厚度在8m 以上特厚煤層綜放開采得到了廣泛的應用與推廣[1-2]。我國西部某礦3～5號煤層為特厚煤層，圍巖應力來源特殊，煤層頂板含有多層炭質泥巖夾層，總體結構性差、強度低，且受火成巖侵入、烘烤等因素的影響，煤體破碎，節理發育，巷道圍巖穩定性差，嚴重制約工作面通風、運輸、設備穩定，影響工作面安全高效開采[3-4]。本文以該礦30509回風巷作為工程背景，運用FLAC3D數值模擬軟件進行模擬，研究分析巷道開挖過程中無支護條件下圍巖的變形破壞特征[5]。

1 工程概況

研究對象為我國西部某礦30509工作面，該工作面位于二水平三盤區，工作面東部和西部均為實體煤，南部為3～5 號煤層的輔運、膠帶、回風三條大巷，北部為礦界煤柱。

該工作面采用大采高綜采放頂煤開采，埋藏深度307～454m，割煤高度為4m，放煤厚度為11.1m，走向長度約為1708m，傾斜長度為160m，煤層傾角為1°～8°，平均4°，屬近水平煤層，工作面回采巷道沿煤層底板布置，巷道為矩形斷面，斷面規格為5.2m×3.6m，巷道在近距離上覆煤層采空區孤島煤柱下重疊布置，圍巖受疊加應力程度較高；同時，厚頂煤巷道圍巖含2～3層炭質泥巖夾層，每層泥巖厚度約為0.45m，距巷道頂板0.45～1.40m，煤層無基本頂，直接頂主要為泥巖，直接底主要為粉砂巖。

2 模型建立及參數選取

2.1 有限元模型建立

以實際工程地質條件為基礎，利用有限元差分軟件FLAC3D建立三維實體模型，對巷道開挖后無支護條件下圍巖的基本破壞特征進行數值分析。模型尺寸為60cm×50cm×35cm，研究區域的網格劃分較密，其它部位相對稀疏，網格共劃分為221000 個單元，232254 個節點。該模型上邊界表面施加荷載為35MPa，下部邊界取全約束位移邊界條件，前、后、左、右方向的位移限制水平方向移動。材料本構關系滿足摩爾—庫侖強度準則。建立的數值模型見圖1。

2.2 模型參數選取

數值模擬的結果很大程度上受巖體力學參數的影響，模型根據該礦區搜集的地質資料及巖芯的物理力學性質指標測試結果，并根據相關文獻中的公式[6-7]和FLAC提供的彈性力學公式[8]換算，得出模擬的煤巖體物理力學參數如表1所示。

表1 煤巖層物理力學參數表

為了直觀地了解30509工作面巷道圍巖動態變化，模擬過程中在巷道頂板上方0m、0.45m、0.9m、1.35m、1.8m和6.0m處布置水平觀測線，以觀測巷道開挖過程中的頂板上方一定范圍內位移變化；并沿走向一定位置截取開挖過程中巷道圍巖的塑性破壞分布特征，以觀測巷道圍巖的破壞失穩情況。

3 數值模型結果分析

在沒有對巷道進行支護情況下，巷道圍巖變形破壞特征如圖2所示。

從圖2a中可以看出，巷道開挖后，由于頂板巖層由煤層及軟弱夾層組成，其粘結強度相對較低，當巷道掘進后，在2m 范圍內各巖層之間出現不同程度分層現象，在2m之外區域，頂板巖層下沉量相對較小，與下方巖層出現明顯離層。由圖2b可知，在無支護的情況下，隨時間的增加頂板下沉量逐漸增大，變形速率較大，當下沉量超過400mm 以后，變形量仍有增加，但增加速率明顯降低。由圖2c可知，由于軟弱夾層的存在，加之巷道兩幫變形加大了巷道跨度，使得巷道肩部塑性區域范圍向圍巖深部擴展，進一步加劇了頂板下沉。

上述分析表明，受到頂板中軟弱夾層的影響，巷道掘進后在頂板巖層淺部出現分層下沉，并與頂板巖層深部產生明顯離層，頂板變形范圍較大，且變形在巷道肩部向圍巖深部擴展，進一步削弱了頂板的整體穩定性；巷道掘進初期變形速率較大，整體變形量大。因此，巷道支護的重點應該是控制頂板變形，通過控制頂板使其淺部巖層不出現分層，并與深部巖層之間不產生離層。使巷道圍巖在較高預緊力作用下產生適當的變形。

4 結論

(1)特厚煤層軟弱頂板回采巷道具有巖層之間離層現象明顯，塑形破壞嚴重，圍巖承載能力弱，巷道頂板變形嚴重的特征。

(2)現場生產時，應加強回采巷道支護系統應力位移的監測監控，避免圍巖的過度變形破壞，且巷道支護時應堅持高強恒阻讓壓互補的支護原則。